机械工程材料第2版 作者 王章忠 主编 第十二章.pptVIP

第一节 概 述 功能材料的发展历史与结构材料一样悠久，然而其产量和产值却远小于结构材料。但随着电力技术的发展，电功能材料和磁功能材料已得到较大的进步；20世纪50年代微电子技术的发展，半导体电子功能材料迅速发展；60年代出现的激光技术，70年代的光电子技术也发展了相应的功能材料；进入80年代后，新能源功能材料和生物医学功能材料迅猛崛起。 材料发展新阶段   随着科学技术的发展，功能材料的品种越来越多，其应用也越来越广，在国民经济中的地位将与日俱增。这说明现代材料发展到了一个新阶段，功能材料已成为材料研究、开发与应用的重点，它与结构材料一样重要，今后将互相促进、共同发展。 （一）多功能化 功能材料往往具有多种功能：如减振合金，既具有减振阻尼功能，又有结构材料的性能； NiTi合金既是形状记忆合金，又是超弹性材料。 功能材料的特点  结构材料常以材料形式为最终产品，并对其本身进行性能评价；而功能材料则以元件形式为最终产品，并对元件的特性与功能进行评价，材料的研究开发与元器件也常常同步进行，即材料元件一体化。 功能材料的特点  为了赋予材料与元件的特定性能，需要严格控制材料成分（如高纯或超纯要求、微量元素或特种添加剂含量等）和内部结构及表面质量，这往往需进行特殊制备与处理工艺；元器件的性能常常要求稳定在1×10-6（每摄氏度或每年）的数量级以上。因此功能材料大多是知识密集、技术密集、附加值高的高技术材料。 功能材料的特点  功能材料的形态多种多样，同一成分的材料形态不同时，常会呈现不同的功能。如Al2O3陶瓷材料，拉成单晶时为人造宝石；烧结成多晶时常用作集成电路基板材料、透光陶瓷等；多孔质化时是催化剂的良好载体与过滤材料；纤维化时为良好的绝热保温材料。 功能材料的分类方法很多，目前尚无公认统一的方法。表12-1为不同分类方法的功能材料类型。 功能材料已广泛应用于各技术领域和产业部门，对高新技术产业有着决定性的作用。在信息技术领域中，用于集成电路、电子元器件、磁性元件、光学元器件、自动化装置等，主要处理弱电、微光等信息，故这类材料又称“信息材料”。在新能源技术领域，用于太阳能利用装置、温差发电器、地热发电站、原子能装置、贮氢和氢能利用装置等。在生物技术与生物医学领域，功能材料也大有用途，典型的有人体植入材料（人工假体）。 功能材料的发展 实现功能材料多功能化的重要途径是利用各种新技术和新工艺、改变材料的结构形态，进一步丰富现有材料的功能并扩大新型功能材料的应用。如对光功能材料薄膜化可得到选择性吸收膜或太阳能薄膜电池，对其纤维化可得光学纤维，对其无气孔化可得透光晶体等。 功能材料的发展 材料性能之间的转换是一个普通现象，而材料复合是材料制备的重要手段，通过材料复合和性能转换耦合，可以产生与原材料不同的新功能效应，见表12-2。 功能材料的发展 智能化是功能材料发展的高级阶段。智能材料指的是一种自身兼有对环境的可感知、判断、得出结论并发出指令功能的新材料，这是将信息科学融合于材料性能和功能的一种材料新构思。 第二节 电功能材料 导电材料是用来制造传输电能（能源）的电线电缆和传导电信息的导线引线与布线。其主要性能要求是导电性（用电导率或电阻率表示，国际电气公司 IEC规定电阻率为1.7241μΩ·cm的标准软铜的电导率为 100%，其它材料的电导率与之比较，并以“%IACS”单位表示），根据使用目的不同，有时还要求一定的强度、弹性、韧性或耐热、耐蚀等其它性能。 导电材料 纯铜与纯铝是最常用的导电材料，为改善力学性能和其它物理、化学性能而不明显损害其电导率和热导率，常添加少量合金元素制成高导电的高铜合金和铝合金。此外为提高使用性能和工艺性能，满足某些特殊需要，还发展了复合金属导体，如铜包铝线、铜包钢线、铝包钢线、镀银铜线、镀锡铜线等。 导电材料 贵金属（如Au、Pd、Pt、Ag等）厚膜导体是厚膜混合集成电路最早采用的膜材料，因贵金属价格昂贵，近年来发展了Cu、Al、Ni、Cr等廉金属系厚膜导体布线材料。薄膜导体布线材料主要包括单元薄膜（如Al膜）和复合薄膜（即多层薄膜如Cr-Au、NiCr-Au薄膜等，其前者为底层、后者为面层）。 导电材料 导电高分子材料具有类似金属的电导率，通过分子设计，可以合成具有不同特性的导电高分子材料。按其导电原理可分为结构型导电高分子和复合型导电高分子。结构型是指高分子结构上原本就显示出良好的导电性（尤其是当有“掺杂剂”补偿离子时更是如此），通过电子或离子导电；复合型是指通过高分子与各种导电填料分